Méthodes expérimentales, procédures d’essais

Dans le document Caractérisation expérimentale des propriétés de poromécaniques et de transfert de l’argilite du COx (Page 38-41)

Chapitre 2 Mesure du coefficient de Biot de l’argilite partiellement saturée

2.3 Méthodes expérimentales, procédures d’essais

2.3.1 Méthodes expérimentales

2.3.1.1. Identification des coefficients de Biot

L’argilite du COx de Bure est un matériau à comportement isotrope transverse. Le plan d’isotropie est le plan des strates d’axes structurels 1 et 2. L’axe 3 est l’axe vertical tel qu’indiqué dans la figure 2.2. Les échantillons sont généralement carottés à partir de cellules T1 d’axe horizontal.

Même s’il y a des repérages permettant d’identifier ces axes, une

certaine incertitude demeure quant à la position précise de l’axe vertical, ceci crée

quelques problèmes d’instrumentation pour l’analyse des déformations.

Dans le cadre de la théorie poroélastique de Biot, le comportement du matériau peut s’écrire dans le repère de structure (avec compressions positives) 80 par :

| | 𝜀11 𝜀22 𝜀33 𝛾12 𝛾13 𝛾23 | | = | | | 1 𝐸1 −𝜈 𝐸1 −𝜈′ 𝐸1 −𝜈 𝐸1 1 𝐸1 −𝜈′ 𝐸1 −𝜈′ 𝐸1 −𝜈′ 𝐸1 1 𝐸3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2(1+𝜈) 𝐸1 0 0 0 1 𝐺13 0 0 0 𝐺1 23 | | | | | 𝜎11− 𝑏𝑃𝑖 𝜎22− 𝑏𝑃𝑖 𝜎33− 𝑏3𝑃𝑖 𝜎12 𝜎13 𝜎23 | | (2.1)

b et b3 sont les composantes du tenseur de Biot utilisées lors d’un comportement isotrope

transverse. Pour identifier ces composantes, un chargement privilégié sera composé d’un chargement hydrostatique Pc et/ou d’une pression de pore Pi. Un cas intéressant que l’on envisage, déjà souligné dans la thèse de Sophie Cariou5, est celui où b = b3. Dans ce cas, en posant = Pi / Pc, on obtient : 𝜀11= 𝜀11(𝑃𝑐)(1 − 𝛼𝑏) 𝜀22= 𝜀22(𝑃𝑐)(1 − 𝛼𝑏) 𝜀33= 𝜀33(𝑃𝑐)(1 − 𝛼𝑏) 𝛾𝑖𝑗 = 0 } (2.2) avec

33 𝜀11(𝑃𝑐) = 𝜀22(𝑃𝑐) =𝑃𝑐

𝐸1(1 − (𝜈 + 𝜈)) 𝑎𝑛𝑑 𝜀33(𝑃𝑐) = 𝑃𝑐(1

𝐸32𝜈

𝐸1) (2.3)

La jauge Jn donnera 𝜀𝑛𝑛= 𝜀̿. 𝑛⃗ . 𝑛⃗ avec 𝑛 ⃗⃗⃗ : | 𝑐𝑜𝑠𝛽

0 𝑠𝑖𝑛𝛽

| , est l’orientation de la jauge et est

inconnue ‘a priori’ :

𝜀𝑛𝑛= (𝜀11(𝑃𝑐)(𝑐𝑜𝑠𝛽)2+ 𝜀33(𝑃𝑐)(𝑠𝑖𝑛𝛽)2)(1 − 𝛼𝑏) (2.4) La relation (2.4) montre que, quelle que soit la direction de la jauge, le coefficient b de Biot peut êtretiré de deux tests: chargement hydrostatique et variation de la pression de pores. Le comportement de l’argilite peut ne pas être élastique linéaire (fissuration, plastification), il faudra donc procéder par des phases de déchargement en confinement Pc ou des accroissements de pression de pores Pi pour bénéficier du « retour » élastique et se situer dans le cadre de la poroélasticité. Donc, à partir d’une valeur stable de Pc, on procèdera ainsi : • L’étape 1 : chargement initial jusqu’à Pc.

• L’étape 2 : décharge de Pc à Pc - Pc donne 22(Pc) et nn(Pc).

• L’étape 3 : recharge jusqu’à Pc, puis application d’une pression de pore Pi avec (par exemple) Pi = Pc. Cette phase est élastique car elle correspond à un déchargement en confinement effectif. On mesure alors 22(Pi) et nn(Pi).

• A l’ étape 4 - on compare 22(Pc) , nn(Pc) à 22(Pi) et nn(Pi), le résultat permet d’évaluer

le coefficient b.

Si b n’est pas égal à b3, il faut faire des tests complémentaires de type chargement axial pour exploiter la relation (2.1) et évaluer aussi les autres propriétés élastiques. Le processus devient alors beaucoup plus complexe et il y a risque d’accumulation d’erreurs. Nous verrons cependant dans la suite que l’hypothèse b = b3 est bien celle qui s’applique bien pour les expérimentations effectuées et présentées ici.

2.3.1.2. Intérêt de l’utilisation du gaz dans le contrôle de la pression de pore

Quand on considére la relation (2.1) on voit qu’il est nécessaire de contrôler simultanément la pression hydrostatique Pc et la pression de pores Pi pour déduire le coefficient de Biot des mesures de déformation. Le contrôle de Pc ne pose pas de problème particulier mais il n’en n’est pas de même pour obtenir une pression de pore homogène dans l’échantillon. Le premier problème est posé par la perméabilité à l’eau de l’argilite qui est de l’ordre de 10-19 m2 à parfois moins de 10-20 m2 ; cela signifie que sur de grands échantillons l’équilibre en pression Pi est long à atteindre et difficile à vérifier. De là, supposer acquise la saturation complète du matériau est parfois plus une hypothèse qu’un fait totalement avéré. D’autre part les différentes opérations d’extraction et d’usinage des éprouvettes conduisent à l’obtention d’un matériau partiellement saturé. Il faut donc soit le resaturer avant de le tester soit le saturer pendant le test. Ces différents aspects nous ont conduits à adopter la même

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technique que celle utilisée dans la thèse de Sophie Cariou5, à savoir l’utilisation d’un gaz (argon) comme vecteur d’application de la pression de pore Pi. La pression du gaz est appliquée sur les deux faces de l’échantillon. Cette opération n’induit aucun écoulement ce qui ne change pas la saturation en eau de l’échantillon (ce point a été contrôlé par pesée). C’est un résultat important, car si on estime que la saturation n’est fonction que de la pression capillaire, cela traduit que toute augmentation de pression de gaz se traduit par une augmentation similaire de la pression d’eau : Pw – Pg = 0. De là on peut admettre que la pression de pore varie homogènement de Pi =Pg. Cette méthode a montré une équivalence totale quant aux coefficients de Biot mesurés, à l’eau et/ou au gaz sur grès et sur granite. Elle est de plusbeaucoup plus rapide car le gaz injecté n’est pas actif sur le milieu (sauf pour le matériau complètement sec) i.e. pas d’effets électrostatiques, d’interaction chimique ou de variation de composition de l’eau présente. Elle peut, de plus, être utilisée sur matériaux partiellement saturés voire secs ; c’est un cas intéressant car il y aura une production importante de gaz in-situ 81, 82.

2.3.3 Procédure expérimentale

Tous les essais sont effectués avec un montage conçu au laboratoire et présenté en figure 2.3. Il est composé d’une cellule de confinement (jusqu’à 60 MPa) et d’un dispositif d’injection et de contrôle de la pression de gaz. Ce dispositif permet de mesurer la perméabilité ou de modifier la pression de pores. Plus de détails sont disponibles dans 57, 83. Tous les essais sont effectués dans une chambre climatisée à environ 20°C.

Figure 2.3 - Schéma du montage expérimental

Avant d’être testé l’échantillon est place en dessiccateur sous une humidité relative contrôlée par solution saline. Le test est effectué quand la masse est constante trois jours consécutifs à 0,05% près. Un confinement initial de 3MPa est appliqué et c’est le point de départ du test. Ce premier chargement est susceptible de fermer certaines fissures si elles sont présentes.

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2 cellules T1 ont été utilisées pour cette première campagne d’essais : EST51335 and EST51446. Les échantillons ont été sollicités sous différents chemins de chargement choisis pour :

• Soit évaluer l’influence de la pression de pores (figure 4(a))

• Soit évaluer l’effet de la contrainte effective au sens de Terzaghi (figure 4(b))

Dans ce second cas les accroissements de pression de pores ont été fixes à 3MPa (fig.4(b)). Les déformations sont mesurées après leur stabilisation qui peut prendre un certain temps nécessaire à l’uniformisation de la pression interne62.

(a) (b)

Figure 2.4 - Chemins de chargement: (a) EST51335 - influence de la pression de pore ; (b) EST 51446 - influence du confinement – pression de pore fixée à 3 MPa.

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